IMPLEMENTASI DIRECT TORQUE
CONTROL DALAM PENGATURAN
KECEPATAN MOTOR INDUKSI
Harrij Mukti K1
Penelitian ini membahas mengenai implementasi Direct Torque Control (DTC) yang diterapkan dalam pengaturan kecepatan motor induksi yang ditinjau terhadap pengaruh perubahan parameter tahanan stator dan pembebanan pada motor. Skema Model Reference Adaptive System (MRAS) dengan pendekatan back-EMF ditambahkan untuk mengestimasi kecepatan motor.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa skema DTC ini tidak sensitif terhadap perubahan parameter motor. Perubahan parameter tahanan stator ini relatif tidak berpengaruh terhadap kecepatan motor induksi, sedangkan perubahan beban akan mempengaruhi kecepatan motor. Dengan adanya penambahan beban, maka penurunan kecepatan dapat mencapai 7,5%. Pada keadaan tanpa beban diperoleh settling time = 0,03 detik dan error = 0,2%. Dengan bertambahnya beban menyebabkan bertambahnya ripple dan error yang terjadi dapat mencapai 3%.
Kata-kata Kunci: motor induksi, pengaturan kecepatan, Direct
Torque Control, Model Reference Adaptive System
Abstract
This research discusses the implementation of Direct Torque Control (DTC) based on Back-EMF Model Reference Adaptive System (MRAS) to control induction motor speed. Speed estimation was evaluated from the effect of changing parameter of stator resistance and load torque of motor induction.
The simulation results show that DTC is insensitive to motor parameters. Changes in stator resistance has no significant effect on the value of rotor speed estimation of induction motors whereas changing in loads will have an effect on the value of rotor speed estimation of induction motor. Increasing loads will decrease speed estimation by
1
7,5%. At no load condition, settling time is 0.03 seconds and error of 0.2%. At load condition, the ripple is higher than at no load, and the error reaches 3 %.
Keywords: induction motor, speed drive, direct torque control, model reference adaptive system
1. PENDAHULUAN
Selama dekade terakhir ini, telah banyak dilakukan penelitian mengenai sistem pengaturan kecepatan pada motor arus bolak-balik (motor AC) tanpa menggunakan sensor. Motor induksi, khususnya tipe rotor sangkar merupakan motor AC yang banyak digunakan pada industri.
Direct Torque Control (DTC) merupakan salah satu skema
kontrol berdasarkan pengontrolan fluks stator dan torsi yang memberikan respon cepat dan robust yang diimplementasikan pada motor AC. DTC ini mempunyai kelebihan antara lain lebih sederhana, mempunyai performa dinamik yang baik, serta tidak sensitif terhadap perubahan parameter, khususnya tahanan stator. Sedangkan kelemahan dari DTC ini adalah mempunyai ripple torsi dan respon transien yang lambat selama start-up dan karena pembebanan.
Dalam banyak skema pengaturan kecepatan motor, skema
close-loop control membutuhkan pengukuran kecepatan atau
posisi dari motor. Padahal dalam beberapa kasus, penggunaan sensor pengukur kecepatan ini relatif sulit untuk diterapkan, antara lain karena membutuhkan sistem penyambungan yang kompleks antara motor dan driver, biaya yang lebih mahal serta mudah terpengaruh oleh noise dan getaran.
Dalam skema speed sensorless, kecepatan motor ini akan diestimasi dan digunakan sebagai umpan balik dalam close-loop
speed control. Model Reference Adaptive System (MRAS)
merupakan salah satu teknik yang digunakan untuk mengestimasi kecepatan motor. Dalam mengestimasi kecepatan motor, penggunaan MRAS dapat dilakukan dengan beberapa pendekatan, antara lain dengan pendekatan fluks rotor, daya dan
back-EMF.
pendekatan back-EMF ditambahkan untuk mengestimasi kecepatan motor karena pengaruh perubahan tahanan stator dan beban motor; dan Simulasi dengan Program Simulink Matlab digunakan untuk mengetahui unjuk kerja DTC dalam pengaturan kecepatan motor induksi.
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1 Pemodelan Dinamik Motor Induksi
Pemodelan dinamik pada motor induksi tiga fasa dilakukan dengan menggunakan transformasi model tiga fasa (a-b-c) ke model dua fasa (d-q).
Persamaan motor induksi yang dinyatakan dalam stationary
reference frame dalam satuan per unit, dinyatakan dalam
Torsi inertia bila dinyatakan dalam nilai per unit adalah :
damp
Dengan TL adalah torsi beban dan Tdampadalah torsi redaman.
2.2 Metode Direct Torque Control (DTC)
Metode DTC adalah suatu metode yang digunakan dalam
variable frequency drive untuk mengontrol torsi dan kecepatan
pada motor induksi tiga fasa. Metode ini meliputi perhitungan estimasi fluks dan torsi motor berdasarkan tegangan dan arus pada motor. Fluks stator diestimasi berdasarkan tegangan stator. Torsi diestimasi dari estimator vektor fluks stator dan arus motor. Magnitude fluks dan torsi yang diestimasi kemudian dibandingkan dengan nilai referensinya.
Gambar 1. Direct Torque Control (DTC) pada Motor Induksi
DTC ini terdiri dari empat bagian utama, yaitu Voltage
Source Inverter (VSI), fluks stator dan torsi estimator, tabel
switching serta hysterisis fluks dan torque estimator.
Hysterisis band controller akan menentukan switching vector yang ditunjukkan dalam Tabel 1 untuk mengurangi error fluk stator dan torsi menuju nol.
0
1 V3
(010)
V4 (011)
V5 (001)
V6 (101)
V1 (100)
V2 (110)
0 V0
(000)
V7 (111)
V0 (000)
V7 (111)
V0 (000)
V7 (111)
-1 V5
(001)
V6 (101)
V1 (100)
V2 (110)
V3 (010)
V4 (011)
Dalam DTC pemilihan switching vector yang optimal ini sangat penting. Data dalam Tabel 1 menunjukkan berbagai kombinasi torsi dan fluks stator yang dibutuhkan dalam beberapa sektor dengan memilih salah satu dari 8 vektor tegangan yang ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Vektor Tegangan
2.3 Model Reference Adaptive System (MRAS)
Model Reference Adaptive System (MRAS) terdiri atas dua
model, yaitu model referensi (reference model) dan model adaptif (adjustable model). Model referensi adalah model yang tidak dipengaruhi oleh kuantitas nilai yang diestimasi (misal: kecepatan rotor). Model adaptif adalah model yang dipengaruhi oleh nilai yang diestimasi. Keluaran dari model adaptif dibandingkan dengan model referensi, dan perbedaan itu digunakan untuk mengatur mekanisme adaptasi (adaptative
mechanishm) yang keluarannya adalah nilai yang diestimasi
(kecepatan rotor).
2.3.1 MRAS dengan Pendekatan Back-EMF
Model referensi yang digunakan adalah (Meziane, Toufouti dan Benalla, 2007) :
Model adaptif yang digunakan adalah :
)
Kecepatan rotor diperoleh dari mekanisme adaptasi berikut :
)
3. RANCANGAN SIMULASI DAN ANALISIS 3.1 Perancangan Simulasi
Rancangan sistem yang digunakan dalam penelitian implementasi DTC dalam pengaturan kecepatan motor induksi ditunjukkan pada Gambar 4.
MRAS
Diagram implementasi DTC pada motor induksi dengan dilengkapi estimator MRAS ini disimulasikan dalam program Simulink Matlab yang ditunjukkan dalam Gambar 5.
Gambar 5. Implementasi DTC pada Motor Induksi dalam Simulink.
3.2 Spesifikasi Motor Induksi
Spesifikasi motor induksi yang digunakan adalah motor induksi 3 fasa 1,5 kW, 220V/380V, 50 Hz, 1415 rpm, cos φ=0,79, J=0,031 kg.m2. :
3.3 Pemodelan Direct Torque Control (DTC)
DTC membutuhkan masukan fluks referensi yang dibandingkan dengan fluks stator yang diperoleh dari model motor induksi serta torsi error. DTC ini akan menentukan vektor tegangan yang diperoleh berdasarkan error yang terjadi pada besaran torsi dan fluks stator. DTC akan menghasilkan tegangan stator (Vs) dalam
bentuk tiga fasa, yang kemudian ditransformasikan menjadi bentuk dua fasa (Vds dan Vqs) untuk menjadi masukan motor
induksi.
3.4 Simulasi dan Analisis
3.4.1 Pengaruh Perubahan Tahanan Stator (Rs)
(a) Rs = 100% (b) Rs = 125%
(c) Rs = 150% (d) Rs = 175%
Gambar 7. Pengaruh Perubahan Rs terhadap Kecepatan Rotor
Estimasi
Gambar 7 mulai keadaan Rs =100%-175%menunjukkan kurva
kecepatan rotor relatif sama. Pada kurva diperoleh settling time = 0,03 detik. Pada kurva terjadi ripple dan error yang dihasilkan = 0,2 %. Perubahan Rs tidak terlihat pengaruhnya terhadap
kecepatan rotor yang dihasilkannya.
3.4.2 Pengaruh Perubahan Beban Motor Induksi
(d) Beban = 75% (e) Beban = 100%
Gambar 8. Pengaruh Perubahan Beban terhadap Kecepatan Motor
Gambar 8 menunjukkan pada keadaan tanpa beban, ωr estimasi
relatif tetap, terjadi ripple. Dari kurva ini diperoleh bahwa
perubahan beban motor mempengaruhi ωr estimasi. Dengan
masuknya beban error yang terjadi dapat mencapai 3%. Pada bertambahnya beban motor, penurunan ωr estimasi dapat
mencapai 7,5%.
3.4.3 Pengaruh Perubahan Tahanan Stator dan Beban Motor
Pada motor induksi 3 fasa yang digunakan, pada keadaan beban penuh temperatur pada belitan stator mencapai 75ºC, sehingga diperoleh (Terco, 1979) :
awal
bp
R
t
R
*
235
310
; t = suhu ruang (25ºC)
Gambar 9. Kurva ωr terhadap Waktu
Gambar 9 menunjukkan dengan penerapan Rs = 0,132 pu dan TL
4. PENUTUP
Dari hasil simulasi dan analisis yang dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1) Perubahan parameter tahanan stator (Rs = 100%- 175%)
tidak berpengaruh terhadap kecepatan motor ( ωr ) . Skema
DTC ini tidak sensitif terhadap perubahan parameter motor. 2) Perubahan beban motor mempengaruhi kecepatan rotor
motor induksi. Makin besar beban yang ditambahkan maka
penurunan ωr estimasi juga makin besar.
3) Dengan penambahan beban, penurunan ωr dapat mencapai
7,5%.
4) Pada keadaan tanpa beban diperoleh ωr relatif tetap dengan
terjadi sedikit ripple, settling time = 0,03 detik dan error = 0,2%. Pada saat dilakukan penambahan beban maka ripple
yang terjadi makin besar dan error yang terjadi dapat mencapai 3%.
5. DAFTAR PUSTAKA
Meziane, S, Toufouti, R dan Benalla, H. 2007. MRAS based
Speed Control of Sensorless Induction Motor Drives.
ICGST-ACSE Journal Vol 7.
Nabti, K, Abed, K dan Benalla, H. 2008. Sensorless Direct Torque Control of Rushless AC Machine using Luenberger
Observer. Journal of Theoretical and Applied Information
Technology.
Ong, Chee-Mun. 1998. Dynamic Simulation of Electric
Machinery Using Matlab/ Simulink. Prentice Hall,Inc. New
Jersey. USA.
Ozkop, E dan Okumus, HI. 2005. Direct Torque Controlled Induction Machine With MRAS Based Stator Resistance
Estimation. Karadenitz Technical University. Turkey
Riaz, M. 2008. Simulation of Electric Machine and Drive System. University of Minnesota. USA.
Vas, Peter. 1998. Sensorless Vector and Direct Torque Control. Wahab, A dan Sanusi, H. 2008. Simulink Model of Direct Control
of Induction Machine. American Journal of Applied Sciences
